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Picarro G2131-i(互花米草入侵對鹽沼生態(tài)系統中土壤碳儲量和碳源的影響)

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背景簡(jiǎn)介

 

 

作為全球變化的重要組成部分,植物入侵威脅著(zhù)全球生態(tài)系統的可持續性,并可能改變入侵區域的碳動(dòng)態(tài)?;セ撞菔且环N常見(jiàn)的入侵植物,它的入侵會(huì )對被稱(chēng)為重要的“藍碳”生態(tài)系統的濱海鹽沼產(chǎn)生影響,我們對這種影響——尤其是土壤有機碳(SOC)和土壤無(wú)機碳(SIC)儲量及其剖面分布的影響知之甚少。本文采用2-10年的短期入侵時(shí)間序列來(lái)評估中國黃河口在植物入侵期間土壤SOC和SIC的響應。通過(guò)分析土壤、植物組織和沉積物碎屑中的13C同位素含量,推斷入侵對鹽沼生態(tài)SOC積累的貢獻。結果表明,80%以上的土壤碳是無(wú)機碳,這一比例在原生地和新入侵地區較高。土壤有機碳在距離表層以下100cm土壤中隨入侵時(shí)間呈線(xiàn)性累積。土壤有機碳累積速率沿土壤剖面變化,在表層以下20 cm、40 cm和100 cm的土壤中分別為0.10、0.13和0.40 kg C m-2yr-1。13C同位素分析表明,碎屑源C在天然鹽沼中占主導地位(平均62.2%),而植物源C則隨著(zhù)入侵時(shí)間的延長(cháng)而增加。結構方程模型(SEM)表明,入侵土壤表層以下40 cm的土壤無(wú)機碳損失可間接歸因于堿性土壤中的土壤酸化,并與土壤鈣流失直接相關(guān)。

 

北京師范大學(xué)白軍紅教授團隊張光亮博士,以黃河口地區鹽沼地入侵物種互花米草和本地物種為研究對象,以穩定碳同位素和SEM模擬方程為研究手段,揭示了植物入侵和土壤碳庫之間的因果關(guān)系,并強調了無(wú)機C在沿海藍碳庫中的重要性。

 

 

站點(diǎn)位置

 

 

該研究在中國山東東營(yíng)的黃河口進(jìn)行。黃河口是中國北方最完整、最年輕的河口濕地生態(tài)系統,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候地區。黃河口土壤主要來(lái)源于黃河中上游的黃土高原,沿海岸線(xiàn)分布的土壤主要為鈣質(zhì)潮土和潛育土。從鹽沼到受河流影響的淡水生境有明顯的植物帶,這主要是由于土壤鹽度梯度和洪水頻率之間的相互作用造成的。

 

從鹽沼到河岸濕地,植物種類(lèi)主要有:互花米草-堿蓬-檉柳-蘆葦-白茅-東方香蒲。一般來(lái)說(shuō),堿蓬是我國鹽沼的原生物種,其棲息地現在正迅速被外來(lái)物種互花米草占據(如圖一)。研究表明,互花米草正迅速沿著(zhù)潮溪延伸,并形成了入侵代差。

 

圖一:研究區鹽沼生態(tài)系統位置圖。SS,原生堿蓬位置;SA入侵互花米草位置(SA后數字表示入侵時(shí)間(年))。

 

 

實(shí)驗方法

 

 

本研究對土壤有機碳(SOC)、土壤總碳(TC)、總氮(TN)、土壤pH值和鹽度EC、土壤鈣含量等參數進(jìn)行了測定。SOC中δ13C的分析是通過(guò)使用配有燃燒裝置(元素分析儀)的碳同位素分析儀(Picarro G2131-i)進(jìn)行的。

一般來(lái)說(shuō),C3和C4植物組織的δ13C值分別為−28.5‰ ~ -29.3‰和−13.0‰ ~ -13.5‰。通過(guò)對植物組織、土壤樣品和碎屑的δ13C值的測量,我們認為土壤有機碳主要是植物分解和海岸碎屑沉積的結果。 

 

數據分析使用SEM的方法,通過(guò)回歸分析、路徑份分析和聯(lián)立方程等方法做了建模。通過(guò)SEM方法,提供互花米草入侵對SOC和SIC的影響。模型的充分性通過(guò)卡方檢驗(χ2檢驗)、比較擬合指數(CFI)和擬合優(yōu)度統計(GFI)進(jìn)行檢驗。

 

 

結果分析

 

 

本文分析了土壤、植物和碎屑中的&delta;13C同位素,以追蹤SOC來(lái)源?;セ撞荩–4植物)的&delta;13C值介于&minus;11.85&permil; ~ &minus;10.26&permil;之間,葉、莖和根之間沒(méi)有顯著(zhù)差異(P大于0.05),但葉、莖和根之間略有增加。堿蓬(C3植物)的&delta;13C值的平均值為&minus;24.29&permil;&plusmn;0.37,顯著(zhù)低于入侵植物(P<0.05)。與植物和土壤相比,碎屑顯示出更高的δ13C值,平均值為&minus;7.13&permil;&plusmn;0.87。在入侵區域的土壤中,互花米草衍生的C從表層到深層土壤均占主導地位,這表明互花米草入侵強烈影響了鹽沼區域表層以下100 cm土壤的SOC。

 

圖二:土壤有機碳和土壤無(wú)機碳分別占總碳(a)和二源碳(碎屑和植物源碳)的比例(b)。

 

SEM模擬結果顯示,土壤pH值隨著(zhù)互花米草入侵時(shí)間的延長(cháng)而直接降低。隨著(zhù)SOC的積累,在這種堿性環(huán)境中,土壤pH值相應下降,進(jìn)而促進(jìn)入侵物種的植物凋落物分解為土壤有機質(zhì)和土壤微生物。這解釋了入侵時(shí)間影響表層以下40 cm土壤中SOC儲存的間接途徑。同時(shí),隨著(zhù)入侵時(shí)間的延長(cháng),土壤容積密度顯著(zhù)降低,說(shuō)明入侵鹽沼土壤水分含量較高,高含水量可以創(chuàng )造厭氧環(huán)境,抑制SOC分解,然后加速沿海濕地中的有機碳沉積。土壤質(zhì)地在控制SOC剖面分布方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。

 

垂直遷移過(guò)程(即淋濾過(guò)程和生物擾動(dòng))和較少的樣本量,限制了通過(guò)SEM模型解釋深層土壤(60&ndash;100 cm)中SOC巨大變化的部分原因。結果表明,SIC損失可以抵消入侵期間SOC的積累,尤其是在40 cm以上的上層土壤中。SEM分析結果表明,土壤Ca含量和SOC是影響SIC隨入侵時(shí)間變化的最重要控制因素,Ca對SIC變化的影響大于SOC。因此基于SEM模型模擬的發(fā)現,60-100 cm土層中的土壤Ca與SIC的相關(guān)性比上部土層中的相關(guān)性更強。

 

圖三:互花米草入侵對0 ~ 40 cm (a)和40 ~ 100 cm (b)土壤理化性質(zhì)和碳庫的結構方程模型(SEM)。

 

 

結論

 

 

本文研究了鹽沼生態(tài)表層以下100 cm范圍內土壤中的SOC和SIC在互花米草短期入侵時(shí)間內的動(dòng)態(tài)脅迫情況。SOC存量隨時(shí)間呈線(xiàn)性增長(cháng),深層土壤(40 cm以下)的SOC比表層土壤(40 cm以上)增加得更多;同時(shí),表層土壤中SIC的積累量減少,這主要歸因于石灰性土壤中的土壤酸化。SIC的損失可以抵消互花米草入侵造成的SOC積累。本研究提供了沿?!八{碳”棲息地外源干擾下SOC和SIC的綜合調查,并強調在碳收支估算中不應忽視SIC存量的作用。

 

文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104831

 

 
 

 

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編輯:吳闖

審核:陳曉峰

 

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